大直徑鉆孔灌注樁受力性狀試驗分析

楊文浩

（上海虹口建設工程質量檢測有限公司，上海 200434）

0 引 言

鉆孔灌注樁是目前上海地區應用較為廣泛的一種樁型，由于其具備較多優勢，如無噪聲、無振動，對環境影響相對較小，樁徑大小可根據設計要求進行調整，在特殊條件下亦可做到變截面等優勢。

鉆孔灌注樁技術在 20 世紀 50 年代起源于德國，70 年代引入我國后，發展相當迅速，但在工程實踐中，鉆孔灌注樁的工程質量事故也相對多于打入樁，且施工速度要低于打入樁，但是由于鉆孔灌注樁對于地質條件適應性要優于打入樁，因此，一些特大型工程，為了滿足承載力及施工條件的要求，一般首選鉆孔灌注樁。在今后的工程應用中，鉆孔灌注樁的發展方向必然是大直徑、變截面、高承載力的趨勢，而為了控制基礎沉降量，埋置深度也會因地制宜地選擇埋置深度深，土性好的地層，因此，對于大長細比、大直徑鉆孔灌注樁樁土關系及樁身內力的探索日趨重要。

1 現場試驗

1.1 工程概況

本工程擬建場地位于上海市虹口區，建設內容包括 2 棟 33 層超高辦公塔樓、一棟 7 層商業裙房、1 個 4 層地下室及公建配套設施等。塔樓基礎采用鉆孔灌注樁，設計樁徑Φ850 mm，試樁設計樁長 75.35 m，樁身混凝土強度等級為水下 C40，樁端持力層位于 ⑨ 層粉砂中，設計工程樁樁頂承載力 13 000 kN，預估試樁樁頂最大加載量為 14 600 kN；商業裙房基礎采用鉆孔灌注樁，試樁設計樁徑 Φ800 mm，設計樁長 68 m，樁身混凝土等級為水下 C40，持力層位于 ⑧2層砂質粉土與粉質黏土互層中，設計工程樁樁頂承載力 10 300 kN，預估試樁樁頂最大加載量 9 300 kN。鉆孔灌注樁施工工藝均采用反循環泥漿護壁成孔方式，鉆孔灌注樁在滿足間歇期后，進行樁端后注漿，試樁詳細信息如表1 所示。

表1 試樁相關參數一覽表

1.2 工程地質情況

擬建場地屬于濱海平原地貌類型，場地地基土在勘察深度范圍內均為第四系松散沉積物，主要由飽和黏性土、粉性土和砂土組成。擬建場地揭示土層 9 層，共 16 個亞層，②、④、⑤ 層土為 Q4 沉積物，⑦、⑧、⑨ 層土為 Q 3 沉積物。根據場地土層分布情況，擬建場區屬于濱海平原區。典型土層的物理力學性質指標如表2 所示，典型工程地質剖面圖如圖1 所示。

1.3 試驗簡介

本次試驗按照 DGJ 08－218－2003《建筑基樁檢測技術規程》有關規定進行，靜載荷試驗采用 4 根Φ850 mm 的錨樁提供反力，由 6 臺 320 t 千斤頂并聯加載，樁頂沉降量由精電子位移傳感器測讀，位移測量平面位于樁頂以下 2 倍 D 的位置，試驗根據設計要求承載力分十級加載，每次加載增量為 1 430 kN，第一級荷載取 2 倍的加載值，采用慢速維持荷載法［1］加載，一直加載至工程樁樁頂位置軸力為 13 000 kN 為止。

為確保工程樁樁頂位置加載量為 13 000 kN，每根試樁均在鋼筋籠上安裝鋼筋應力計，應力計安裝位置均考慮安裝在土層分界處，且鋼筋應力計的間隔≤7 m，每個斷面安裝 3 個應力計，在試樁樁頂下 0.5 m 處安裝 4 個應力計，作為標定面，并在相對應的工程樁樁頂位置安裝 3 個應力計，測讀對應工程樁樁頂位置的軸力，鋼筋應力計埋設位置如圖2 所示。

測量應力時均在加載至穩定時，采用標定過的頻率計測讀應變計的讀數。

2 試驗數據處理

2.1 樁身鋼筋混凝土應力-應變關系［2］

根據較多研究表明，鋼筋混凝土的軸向應力和應變并非線性，因此，采用有試驗實測各級荷載下標定斷面的軸向應變編制對應的應力計算表，經回歸分析表明，二次方程就可以精確到表達應力應變之間的非線性關系，方程為：

式中：a0、a1、a2為系數；ε為某一荷載下的應變。

表2 典型土層的物理力學性質指標一覽表

圖1 典型工程地質剖面圖（單位：m）

2.2 樁身軸力計算［3］

根據鋼筋應力計的實測數據可計算得到某一級荷載作用下i斷面鋼筋軸力：

式中：K為標定系數，kN/Hz2；Fi為某一荷載級荷載下i斷面鋼弦振動頻率，Hz；F0為鋼弦初始振動頻率，Hz；B為計算修正值，kN，由儀器標定書提供。

根據預埋鋼筋計實測的應變數值，以下列式（3）計算各測量界面的軸力。

式中：Qij為第i截面在第j級荷載下的軸力，kN；A為樁身平均截面積；εij為第i截面在第j級荷載下的軸向應變。

圖2 鋼筋應力計的埋設位置圖

2.3 樁側平均摩阻力

在試驗中，鋼筋計被有意識地安裝在土層分界位置，因此根據上述的軸力計算值，各土層的平均摩阻力可按式（4）計算。

式中：u為樁身周長，m；Li為第i斷面和第i+1斷面之間的樁長，m。

2.4 樁端承載力系數

由樁端軸力除以樁端橫截面積即可得到樁端承載力系數，如式（5）所示。

式中：Qn為樁端軸向力，kN；A0為樁端面積，m2。

3 靜載 Q-s曲線（見圖3、圖4）

從上述 2 根試樁的Q-s曲線可以看出，當加載到 17 160 kN 時，在相應工程樁樁頂達到 13 000 kN 軸力的條件下，整條Q-s曲線呈現出緩變形的趨勢，未出現明顯的向下彎折的拐點，樁周地基土和樁身材料均未達到極限狀態，在每一級荷載作用下，地基土壓縮變形后，均能達到穩定的標準，試樁的Q-s曲線反應了樁身受力和荷載傳遞特征的宏觀表現。

圖3 試樁 SA1 Q-s 曲線

圖4 試樁 SA3 Q-s 曲線

試樁的樁頂沉降量主要包括樁身壓縮量和樁端沉降量，根據試驗結果顯示，2 根試樁在 17 160 kN 的壓力作用下（見表3），樁身和土體共沉降 31.93 mm 和 41.68 mm，而在卸載階段，樁身材料回彈量在 22.02 mm、27.79 mm左右，土體最終壓縮量為 9.91 mm、13.89 mm。

表3 試樁理論和實測極限承載力對比

4 樁身軸力

圖5 試樁 SA 1 樁身軸力分布圖

圖6 試樁 SA 3 樁身軸力分布圖

各試樁實測軸力分布如圖5、6 所示，根據軸力分布圖并結合地質資料，場地淺層分布厚層的軟黏性土，其在軸力分布圖上的表現形式為在各級荷載作用下，斜率較大，其夾角基本成 90°，而中下部地層相對較好，在每級荷載作用下，樁身軸力圖中表現為斜率隨著壓力的增加而減小，說明該范圍內的土層在樁身受壓過程中為樁側提供了較多的側摩阻力。而樁端附近地基土在每級荷載作用下，其軸力斜率稍有變換，但沒有中上部地層所反映的那么明顯，其主要因素還是由于上部傳遞下來的軸力較小，無法使樁周地基土發揮其作用，因此該范圍內樁身軸力圖沒有上部區段明顯。

5 樁側阻力發揮性狀分析

擬建場地雖然位于古河道切割區，但場地內地層分布情況較為穩定，2 個試樁樁側土層僅在深部地層有些差異，SA1 孔深部缺 ⑧1-1層，而 SA3 孔則在深部缺失 ⑧2層，其余地層基本一致。從 2 根試樁的樁身軸力分布圖可看出，在樁頂施加壓力后，壓力沿樁身軸線方向向下傳遞，且受到土阻力的影響，壓力逐漸減小，隨著荷載的增加，上部土層在超過其可提供的摩阻力時，并傳遞至樁端由樁端地基土承擔最后的壓力。該過程是個異步過程。

表4 試樁在最大加載量下樁側阻力與樁端阻力一覽表

根據表4 試樁在最大加載量下樁側阻力與樁端阻力一覽表可以看出，整個試樁在受力過程中，樁身上部在整個樁身側阻力中發揮極小部分，僅占 15 % 左右，其余部分則由樁身中下部承擔，這與場地的地質發育情況基本一致，根據本場地的地質報告揭示，場地 20 m 以淺分布厚層的 ④ 層、⑤1層軟弱黏性土，其強度低，土性軟弱，上述土層的摩阻力極易發揮到峰值，且從樁身軸力分布圖中可以發現，在壓力達到 7 150 kN 后，其軸線斜率不再減小，可以說明在此壓力作用下，上述土層已達到其最大承載力，在其后的加載過程中，剩余的樁側阻力主要由中下部土層承擔。

而場地中下部發育的厚層 ⑤2層粉性土，其土性較好，可提供承載力較高，在整個受力過程中，SA1 樁顯示其占比高達 56.26 %，而 SA3 樁也達到 39.6 %，而下部 ⑦ 層粉性土層，土性好，可提供的側阻力較高，SA1 樁顯示其占比為 13.26 %，而 SA3 樁為 17.68 %，上述 2 層地基土為整個樁側提供了過半的側摩阻力。在樁身軸力分布圖中上述 2 層土的主要表現在其斜率一直隨著壓力的增加而減小。

6 樁端阻力發揮性狀分析

本項目試樁樁長 75.35 m，樁徑 Φ850 mm，長細比為 88.6 %，從試樁樁側阻力與樁端阻力一覽表可以發現，樁端阻力在整個受力體系中僅占 3.38 %～8.47 %，其余均由側阻力承擔，為典型的摩擦型樁，而且該試樁的長細比較大，根據參考資料［5］的研究發現，隨著長徑比L/D增加，樁端承力存在減小的規律。因此，本工程試樁雖然在 17 160 kN 的壓力作用下，傳遞到樁端的壓力還是有限的。

另外本項目選擇壓縮性較小的砂性土作為樁基持力層，且通過樁端后注漿工藝，使其有效地控制了樁端沉降量，在試驗最大力作用下，其樁土沉降為 31.93 mm 和 41.68 mm，而卸載后扣除樁身回彈，土體最終壓縮量僅為 9.91 mm、13.89 mm，而根據本項目巖土工程勘察報告顯示，試算沉降量為 30 mm 左右，試驗結果說明樁端后注漿工藝不僅可以提高承載力，亦可有效控制樁的沉降量。

7 結 論

通過研究埋有鋼筋應力計的鉆孔灌注樁的靜載荷試驗得出如下結論。

1）試樁的實際承載力都比按靜力經驗公式計算所得結果要高，鉆孔灌注樁經后注漿處理后，實測值比按靜力經驗公式的計算值至少提高 65 %。

2）鉆孔灌注樁樁側土阻力發揮規律：樁側土層自上部發揮其摩阻力，隨著荷載向下傳遞，下部土層的摩阻力滯后于上部土層，并逐漸發揮出來，樁側土阻力的發揮是個異步的過程。

3）上海地區鉆孔灌注樁的長細比普遍較大，隨著上部荷載水平的提高，端阻才逐漸發揮，但其所占的比例在整個受力體系中相對較小，且端阻力隨長徑比 L/D 的增加而逐漸減小。

4）采用樁端后注漿工藝，可以有效地控制樁身沉降量。